Тема 5

Первинні мережі

5.1 Призначення і типи первинних мереж

 

Первинні мережі займають особливе становище в світі телекомунікаційних мереж, вони призначені для гнучкого створення комутованої інфраструктури, за допомогою якої можна організовувати постійні фізичні канали з топологією «точка-точка» для інших мереж: комп’ютерних та телефонних мереж. Відповідно до семирівневої OSI моделі первинні мережі виконують функції фізичного рівня, однак на відміну від кабелів, такі мережі включають додаткове комунікаційне обладнання, яке шляхом відповідного налаштування дозволяє прокладати нові фізичні канали між кінцевими точками мережі.

Первинні мережі також називають транспортними мережами, оскільки вони надають лише транспортні послуги, передаючи інформацію користувача, не змінюючи її. У первинних мережах застосовується техніка комутації каналів.

Мережі, що утворені на базі первинних мереж і використовують їх канали для організації телефонного зв’язку, передавання даних (комп’ютерні мережі) або телепередач, визначені як вторинні мережі (накладені мережі). Таким чином, первинна мережа – це базова телекомунікаційна мережа типових універсальних каналів передачі та мережевих трактів, на основі якої формуються і створюються вторинні мережі. Канали, що надаються первинними мережами, відрізняються високою пропускною спроможністю – зазвичай від 2 Мбіт/с до 100 Гбіт/с.

Існує кілька поколінь технологій первинних мереж:

·       плезіохронна цифрова ієрархія (Plesiochronous Digital Hierarchy,

·       PDH);

·       синхронна цифрова ієрархія (Synchronous Digital Hierarchy, SDH);

·       ущільнене хвильове мультиплексування (Dense Wave Division Multiplexing, DWDM);

·       оптичні транспортні мережі (Optical Transport Network, OTN).

У технологіях PDH, SDH і OTN для поділу високошвидкісного каналу застосовується часове мультиплексування (TDM), а дані передаються в цифровій формі. Кожна з них підтримує ієрархію швидкостей, так що користувач може вибрати потрібну йому швидкість для каналів, за допомогою яких він буде будувати вторинну мережу. Технології OTN і SDH забезпечують більш високі швидкості, ніж технологія PDH, так що при побудові великої первинної мережі її магістраль будується на технології OTN або SDH, а мережа доступу – на технології PDH.

Мережі DWDM не є власне цифровими мережами, так як пропонують своїм користувачам виділену світлову хвилю для передачі інформації, яку можна застосовувати для передачі інформації як в аналоговій (модулювати), так і в цифровій (кодувати) формі. Техніка мультиплексування DWDM істотно підвищила пропускну спроможність сучасних телекомунікаційних мереж, так як вона дозволяє організувати в одному оптичному волокні кілька десятків хвильових каналів, кожен з яких може переносити цифрову інформацію.

У початковий період розвитку технології DWDM хвильові канали використовувалися в основному для передачі сигналів SDH, тобто мультиплексори DWDM були одночасно і мультиплексорами SDH для кожного зі своїх хвильових каналів.

Згодом, для більш ефективного використання хвильових каналів DWDM була розроблена технологія OTN, яка дозволяє передавати по хвильових каналах сигнали будь-яких технологій, включаючи SDH, Gigabit Ethernet, 10G Ethernet і 100G Ethernet.

 

5.2 Мережі PDH. Ієрархія швидкостей

 

Технологія PDH – плезіохронної цифрової ієрархії («плезіо» означає «майже», тобто майже синхронної) – була розроблена в кінці 60-х років компанією AT&T для вирішення проблеми зв’язку великих комутаторів телефонних мереж між собою. Лінії зв’язку FDM, які застосовувалися раніше для вирішення цього завдання, вичерпали свої можливості в плані організації високошвидкісного багатоканального зв’язку по одному кабелю. В технології FDM для одночасної передачі даних 12 абонентських каналів використовувалася вита пара, а для підвищення швидкості зв’язку доводилося прокладати кабелі з великою кількістю пар проводів або дорожчі коаксіальні кабелі.

Технологія систем Т-каналів була стандартизована Американським національним інститутом стандартів (ANSI), а пізніше – міжнародним телекомунікаційним союзом (ITU-T). При стандартизації вона отримала назву плезіохронної цифрової ієрархії (PDH). В результаті внесених ITU-T змін виникла несумісність американської і міжнародної версій стандарту PDH. Аналогом систем Т-каналів в міжнародному стандарті є канали типу Е1, Е2, Е3, Е4 та Е5 з відповідними швидкостями (табл. 1). Американська версія сьогодні крім США поширена також в Канаді і Японії (з деяк ми відмінностями), в Європі ж застосовується міжнародний стандарт ITU-T.

Наступні рівні ієрархії утворюються мультиплексуванням чотирьох потоків попереднього рівня (рис. 26). Таким чином, швидкість передачі на наступних рівнях становить 8 Мбіт/с, 34 Мбіт/с і 140 Мбіт/с, 565 Мбіт/с. На більш високих рівнях агрегація потоків відбувається побітно, а не побайтно, як на першому рівні (табл. 1).

 

Таблиця 1 – Ієрархія цифрових швидкостей PDH

 

 

Рисунок 26 – Ієрархія швидкостей PDH

 

Незважаючи на відмінності, в американській і міжнародній версіях PDH прийнято використовувати одні і ті ж позначення для ієрархії швидкостей – DSn (Digital Signal n). В табл. 1 приведено значення рівнів швидкостей обидвох технологій. На практиці, в основному використовуються канали Т1/Е1 та Т3/Е3.

 

5.3 Методи мультиплексування

 

У кадрі мультиплексора Т1, що забезпечує передачу даних 24-х абонентів зі швидкістю 1,544 Мбіт/с, послідовно передається по одному байту кожного абонента, а після 24 байт вставляється один біт синхронізації. Спочатку пристрої Т1 функціонували лише на внутрішніх тактових генераторах, і кожен кадр за допомогою бітів синхронізації міг передаватися асинхронно. Сьогодні мультиплексори і комутатори первинної мережі PDH працюють на централізованій тактовій частоті, яка розподіляється з однієї або декількох точок мережі. Однак принцип формування кадру не змінився, тому біти синхронізації в кадрі як і раніше присутні. Сумарна швидкість абонентських каналів складає 24 × 64 = 1,536 Мбіт/с, а ще 8 Кбіт/с додають біти синхронізації, разом виходить 1,544 Мбіт/с.

В апаратурі Т1 восьмий біт кожного байту в кадрі має значення, що залежить від типу даних і покоління апаратури. При передачі голосу за допомогою цього біту переноситься службова інформація, до якої відносяться номер абонента, що викликається і інші відомості, необхідні для встановлення з’єднання між абонентами мережі. Протокол, що забезпечує таке з’єднання, називається в телефонії сигнальним протоколом. Тому реальна швидкість передачі даних користувача в цьому випадку становить не 64, а 56 Кбіт/с. Техніка застосування восьмого біта для службових цілей отримала назву «крадіжки біта».

При передачі комп’ютерних даних канал Т1 надає для передавання даних користувача лише 23 канали, а 24-й канал відводиться для службових цілей, в основному – для відновлення спотворених кадрів. Комп’ютерні дані передаються зі швидкістю 64 Кбіт/с, так як восьмий біт не «крадеться». При одночасній передачі як голосових, так і комп’ютерних даних використовуються всі 24 канали, причому і комп’ютерні, і голосові дані передаються зі швидкістю 56 Кбіт/с.

У європейській версії технології PDH не використовується схема «крадіжки біта». При переході до наступного рівня ієрархії коефіцієнт кратності швидкості має постійне значення 4. Замість восьмого біту в каналі Е1 на службові цілі відводяться 2 байти із 32, а саме нульовий (для цілей синхронізації приймача і передавача) і шістнадцятий (в ньому передається службова сигнальна інформація). Для телефонії чи комп’ютерних даних залишається 30 каналів зі швидкістю передачі 64 Кбіт/с кожен.

При мультиплексуванні декількох потоків в мультиплексорах PDH застосовується біт-стаффінг (stuff – усяка всячина, заповнювач) з побітною синхронізацією. До цієї техніки вдаються, коли швидкість користувацького потоку виявляється дещо меншою, ніж швидкість об’єднаного потоку – подібні проблеми можуть виникати в мережі, що складається з великої кількості мультиплексорів, незважаючи на всі зусилля з централізованого синхронізації вузлів мережі. В результаті мультиплексор PDH періодично стикається з ситуацією, коли йому «не вистачає» біта для представлення в об’єднаному потоці певного користувацького потоку. В цьому випадку мультиплексор просто вставляє в об’єднаний потік біт-вставку і відзначає цей факт у службових бітах об’єднаного кадру. При демультиплексуванні об’єднаного потоку біт-вставка видаляється з користувацького потоку. Техніка біт-стаффіну застосовується як в європейській, так і в американській версіях PDH.

Відсутність повної синхронності потоків даних при об’єднанні низькошвидкісних каналів в високошвидкісні і дало назву технології PDH («майже синхронний»).

 

5.4 Синхронізація мереж PDH

 

У разі невеликої мережі PDH, наприклад мережі міста, синхронізацію всіх пристроїв мережі з однієї точки здійснити не складно. Однак для більш великих мереж, наприклад мереж масштабу країни, які складаються з певної кількості регіональних мереж, синхронізація всіх пристроїв мережі являє собою складну задачу. Загальний підхід до вирішення цієї проблеми описано в стандарті ITU-T G.810. Він полягає в організації в мережі ієрархії еталонних джерел синхросигналів, а також системи розподілу синхросигналів по всіх вузлах мережі.

Кожна велика мережа повинна мати хоча б один первинний еталонний генератор синхросигналів (у варіанті ITU-T називають Primary Reference Clock, PRC, а у варіанті ANSI – генератор рівня Stratum 1). Це дуже точне джерело синхросигналів, здатне виробляти синхросигнали з відносною точністю частоти не гірше 10^-11. На практиці в якості PRC використовують або автономний атомний (водневий або цезієвий) годинник, або годинник, що синхронізується від супутникових систем точного світового часу, наприклад GPS. Зазвичай точність PRC досягає 10^-13.

Стандартним синхросигналом є сигнал тактової частоти рівня DS1: 2048 кГц – частота для міжнародного варіанту стандарту PDH і 1544 кГц – для американського варіанту стандарту.

Для синхронізації немагістральних вузлів використовується вторинний генератор синхросигналів (у варіанті ITU-T називають Secondary Reference Clock, SRC, а у варіанті ANSI – генератор рівня Stratum 2). SRC працює в режимі примусової синхронізації, будучи веденим таймером в парі PRC – SRC. Зазвичай SRC отримує синхросигнали від деякого PRC через проміжні магістральні вузли мережі, при цьому для передачі синхросигналів використовуються біти службових байтів кадру, наприклад нульового байту кадру Е1.

Точність SRC менше, ніж точність PRC: ITU-T в стандарті G.812 визначає її як «не гірше 10^-9», а точність генераторів Stratum 2 повинна бути не «гірше 1,6 х 10^-8».

Якщо є необхідність, то ієрархія еталонних генераторів може бути продовжена, при цьому точність кожного нижчого рівня знижується. Генератори нижніх рівнів, починаючи від SRC, можуть використовувати для генерування своїх синхросигналів кілька еталонних генераторів більш високого рівня, але при цьому в кожен момент часу один з них повинен бути основним, а решта – резервними; така побудова системи синхронізації забезпечує її відмовостійкість. Однак в цьому випадку потрібно пріоритезувати сигнали генераторів більш високих рівнів. Крім того, при побудові системи синхронізації потрібно гарантувати відсутність петель синхронізації.

Розглянуті методи синхронізації цифрових мереж можуть бути застосовані не тільки до мереж PDH, а й до інших мереж, що працюють на основі синхронного TDM-мультиплексування, наприклад до мереж SDH, а також до мереж цифрових телефонних комутаторів.

Технологія PDH володіє рядом недоліків, основним з яких є складність і неефективність операцій мультиплексування і демультиплексування користувацьких даних. Застосування техніки біт-стаффінгу для вирівнювання швидкостей потоків призводить до того, що для вилучення користувацьких даних з об’єднаного каналу необхідно повністю демультиплексувати кадри об’єднаного каналу.

Наприклад, щоб отримати дані одного абонентського каналу 64 Кбіт/с з кадрів каналу Е4, потрібно зробити демультиплексування цих кадрів до рівня кадрів Е3, потім – до рівня кадрів Е2, далі – до Е1, а в кінці демультиплексувати і самі кадри Е1 (рис. 5.2).

Якщо мережа PDH використовується тільки в якості транзитної магістралі між двома вузлами, то операції мультиплексування і демультиплексування виконуються виключно в кінцевих вузлах, і проблем не виникає. Але якщо необхідно виділити один або кілька абонентських каналів в проміжному вузлі мережі PDH, то це завдання простого рішення не має. Як варіант, пропонується встановлення пари мультиплексорів рівня Е1 і вище в кожному вузлі мережі (рис. 27). Один забезпечуватиме повне демультиплексування потоку і відведення частини низькошвидкісних каналів абонентам, інший – знову поєднуватиме в вихідний високошвидкісний потік канали, що залишилися разом з новоутвореними. При цьому значно збільшується кількість працюючого обладнання. Інший варіант – «зворотна доставка». У проміжному вузлі, де потрібно виділити і відвести абонентський потік, встановлюється єдиний високошвидкісний мультиплексор, який просто передає дані транзитом далі по мережі без їх демультиплексування.

 

 

Рисунок 27 – Виділення абонентського каналу в технології PDH

 

В технології PDH не передбачені вбудовані засоби забезпечення відмовостійкості і адміністрування мережі. І ще одним недоліком PDH є занадто низькі за сучасними поняттями швидкості передавання даних. Волоконно- оптичні кабелі дозволяють передавати дані зі швидкостями в декілька сотень Гбіт/с по одному волокну, що забезпечує консолідацію в одному кабелі десятків тисяч користувацьких каналів, але цю можливість технологія PDH не реалізує – її ієрархія швидкостей закінчується рівнем 560 Мбіт/с.